HashMap与ConcurrentHashMap面试要点

怼烎@ 2023-09-29 00:56 3阅读 0赞

# HashMap底层数据结构 #

JDK7： 数组+链表

JDK8: 数组+链表+红黑树 （看过源码的同学应该知道JDK8中即使用了单向链表， 也使用了双向链表， 双向链表主要是为了链表操作方便， 应该在插入， 扩容， 链表转红黑树， 红黑树转链表的过程中都要操作链表）

# JDK8中的HashMap为什么要使用红黑树？ #

当元素个数小于一个阈值时， 链表整体的插入查询效率要高于红黑树， 当元素个数大于此阈值时， 链表整 体的插入查询效率要低于红黑树。 此阈值在HashMap中为8

# JDK8中的HashMap什么时候将链表转化为红黑树？ #

这个题很容易答错， 大部分答案就是： 当链表中的元素个数大于8时就会把链表转化为红黑树。 但是其实还有另外一个限制： 当发现链表中的元素个数大于8之后， 还会判断一下当前数组的长度， 如果数组长度小于64时， 此时并不会转化为红黑树， 而是进行扩容。 只有当链表中的元素个数大于8， 并且数组的长度大于 等于64时才会将链表转为红黑树。 上面扩容的原因是， 如果数组长度还比较小， 就先利用扩容来缩小链表的长度。

# JDK8中HashMap的put方法的实现过程？ #

1.根据key生成hashcode

2.判断当前HashMap对象中的数组是否为空， 如果为空则初始化该数组

3.根据逻辑与运算，算出hashcode基于当前数组对应的数组下标i

4.判断数组的第i个位置的元素 （tab\[i\]） 是否为空

*  a.如果空，则将key，value封装为Node对象赋值给tab\[i\]
 *  b. 如果不为空：
 *  i.如果put方法传入进来的key等于tab\[i\] .key， 那么证明存在相同的key
 *  ii.如果不等于tab\[i\] .key， 则：
 *  1.如果tab\[i\]的类型是TreeNode， 则表示数组的第i位置上是一颗红黑树， 那么将key和 value插入到红黑树中， 并且在插入之前会判断在红黑树中是否存在相同的key
 *  2.如果tab\[i\]的类型不是TreeNode， 则表示数组的第i位置上是一个链表， 那么遍历链表寻 找是否存在相同的key， 并且在遍历的过程中会对链表中的结点数进行计数， 当遍历到最后一个结点时， 会将key ,value封装为Node插入到链表的尾部， 同时判断在插入新结点之 前的链表结点个数是不是大于等于8，如果是，则将链表改为红黑树。
 *  iii. 如果上述步骤中发现存在相同的key，则根据onlyIfAbsent标记来判断是否需要更新value值，然后返回oldValue

5.modCount++

6.HashMap的元素个数size加1

7.如果size大于扩容的阈值， 则进行扩容

# JDK8中HashMap的get方法的实现过程 #

1.根据key生成hashcode

2.如果数组为空，则直接返回空

3.如果数组不为空，则利用hashcode和数组长度通过逻辑与操作算出key所对应的数组下标i

4 . 如果数组的第i个位置上没有元素，则直接返回空

5 . 如果数组的第1个位上的元素的key等于get方法所传进来的key， 则返回该元素，并获取该元素的value

6 . 如果不等于则判断该元素还有没有下一个元素，如果没有，返回空

7.如果有则判断该元素的类型是链表结点还是红黑树结点

a.如果是链表则遍历链表

b.如果是红黑树则遍历红黑树

8 . 找到即返回元素，没找到的则返回空

# JDK7与JDK8中HashMap的不同点 #

1.JDK8中使用了红黑树

2 . JDK7中链表的插入使用的头插法 （扩容转移元素的时候也是使用的头插法，头插法速度更快，无需遍历链表，但是在多线程扩容的情况下使用头插法会出现循环链表的问题，导致CPU飙升），JDK8中链 表使用的尾插法 （JDK8中反正要去计算链表当前结点的个数， 反正要遍历的链表的， 所以直接使用尾插法）

3.JDK7的Hash算法比JDK8中的更复杂，Hash算法越复杂，生成的hashcode则更散列，那么hashmap中的元素则更散列，更散列则hashmap的查询性能更好，JDK7中没有红黑树，所以只能优化Hash算法使得元素更散列，而JDK8中增加了红黑树，查询性能得到了保障，所以可以简化一下Hash算法，毕竟Hash算法越复杂就越消耗CPU

4.扩容的过程中JDK7中有可能会重新对key进行哈希（重新Hash跟哈希种子有关系），而JDK8中没有这部分逻辑

5.JDK8中扩容的条件和JDK7中不一样，除开判断size是否大于阈值之外，JDK7中还判断了tab\[i\]是否为空，不为空的时候才会进行扩容，而JDK8中则没有该条件了

6.JDK8中还多了一个API： putIfAbsent(key ,value)

7.JDK7和JDK8扩容过程中转移元素的逻辑不一样，JDK7是每次转移一个元素，JDK8是先算出来当前位 置上哪些元素在新数组的低位上，哪些在新数组的高位上，然后在一次性转移

# ConcurrentHashMap #

# JDK7中的ConcurrentHashMap是怎么保证并发安全的？ #

主要利用Unsafe操作+ReentrantLock+分段思想。主要使用了Unsafe操作中的：

1.compareAndSwapObject： 通过cas的方式修改对象的属性2 . putOrderedObject：并发安全的给数组的某个位置赋值3 . getObjectVolatile：并发安全的获取数组某个位置的元素分段思想是为了提高ConcurrentHashMap的并发量，

分段数越高则支持的最大并发量越高，程序员可以通过concurrencyLevel参数来指定并发量。ConcurrentHashMap的内部类Segment就是用来表示某一个段的。每个Segment就是一个小型的HashMap的， 当调用ConcurrentHashMap的put方法是，最终会调用到Segment的put方法， 而Segment类继承了ReentrantLock， 所以Segment自带可重入锁， 当调用到Segment的put方法时，会先利用可重入锁加锁， 加锁成功后再将待插入的key ,value插入到小型HashMap中，插入完成后解锁。

# JDK7中的ConcurrentHashMap的底层原理 #

ConcurrentHashMap底层是由两层嵌套数组来实现的：1. ConcurrentHashMap对象中有一个属性segments， 类型为Segment\[\];

2 . Segment对象中有一个属性table， 类型为HashEntry\[\];

当调用ConcurrentHashMap的put方法时，先根据key计算出对应的Segment\[\]的数组下标j，确定好当前key ,value应该插入到哪个Segment对象中，如果segments\[j\]为空，则利用自旋锁的方式在j位置生成一个 Segment对象。然后调用Segment对象的put方法。

Segment对象的put方法会先加锁， 然后也根据key计算出对应的HashEntry\[\]的数组下标i，然后将 key ,value封装为HashEntry对象放入该位置， 此过程和JDK7的HashMap的put方法一样， 然后解锁。 在加锁的过程中逻辑比较复杂， 先通过自旋加锁， 如果超过一 定次数就会直接阻塞等等加锁。

# JDK8中的ConcurrentHashMap是怎么保证并发安全的？ #

主要利用Unsafe操作+synchronized关键字。Unsafe操作的使用仍然和JDK7中的类似，主要负责并发安全的修改对象的属性或数组某个位置的值。

synchronized主要负责在需要操作某个位置时进行加锁 （该位置不为空） ， 比如向某个位置的链表进行插入结点，向某个位置的红黑树插入结点。JDK8中其实仍然有分段锁的思想，只不过JDK7中段数是可以控制的,而JDK8中是数组的每一个位置都有 一把锁。

当向ConcurrentHashMap中put一 个key ,value时，

1.首先根据key计算对应的数组下标i， 如果该位置没有元素， 则通过自旋的方法去向该位置赋值。

2.如果该位置有元素， 则synchronized会加锁

3.加锁成功之后， 在判断该元素的类型a. 如果是链表节点则进行添加节点到链表中b. 如果是红黑树则添加节点到红黑树

4.添加成功后，判断是否需要进行树化

5.addCount，这个方法的意思是ConcurrentHashMap的元素个数加1， 但是这个操作也是需要并发安全的，并且元素个数加1成功后，会继续判断是否要进行扩容， 如果需要，则会进行扩容，所以这个方法很重要。

6 . 同时一个线程在put时如果发现当前ConcurrentHashMap正在进行扩容则会去帮助扩容。

# JDK7和JDK8中的ConcurrentHashMap的不同点 #

这两个的不同点太多了 . . .， 既包括了HashMap中的不同点， 也有其他不同点， 比如：

1.  JDK8中没有分段锁了， 而是使用synchronized来进行控制
2.  DK8中的扩容性能更高， 支持多线程同时扩容， 实际上JDK7中也支持多线程扩容， 因为JDK7中的扩 容是针对每个Segment的， 所以也可能多线程扩容， 但是性能没有JDK8高， 因为JDK8中对于任意一个线程都可以去帮助扩容
3.  JDK8中的元素个数统计的实现也不一 样了， DK8中增加了CounterCell来帮助计数， 而JDK7中没有， JDK7中是put的时候每个Segment内部计数， 统计的时候是遍历每个Segment对象加锁统计。

当然也有一小点点的优化措施，在这就不说了，需要更加深入了解的可**关注微信公众号“老周扯IT”**